Intel如何玩转FPGA，加快数据中心创新

       2015年，英特尔以167亿美元收购Altera，今年AMD又拿下了Xilinx，作为FPGA领域里的俩大玩家双双被收购，对今后的产业发展无疑会产生重大影响。而FPGA对于芯片设计来说越来越重要，同时面对新技术对芯片架构和软件提出的要求越来越高，对于火热的FPGA 市场来讲，必将发生革命性变化。
       在收购潮过后，我们正在进入一个异构数据处理平台的时代，如何充分发挥FPGA的优势率先占领市场？这是摆在科技企业面前的难题，但近日英特尔似乎给出了答案。
       近日在英特尔FPGA 技术大会 (IFTD)上，他们展示了最新FPGA产品和解决方案，并详细介绍了英特尔® FPGA 芯片是如何助力企业实现业务转型以及加快业务创新。
       新平台新产品重磅发布
       1. 开放式FPGA开发堆栈使定制平台开发变得更轻松
      
       首先，英特尔推出了开放式FPGA开发堆栈（英特尔®OFS）。通过可拓展硬件，以及可访问的git源代码库的软件框架，英特尔开放式FPGA开发堆栈让软硬件及 应用开发人员能更轻松地创建定制加速平台与解决方案。此外，英特尔®OFS提供标准接口和API，实现更高的代码可重用率，加速开发与快速部署。
      
       据了解，英特尔®OFS是第二代英特尔 FPGA 平台软件。据英特尔数据平台事业部副总裁、FPGA 和电源产品事业部总经理 Patrick Dorsey介绍，代码本身将完全开源，并向上溯流至 Linux 内核，面向整个社区开放。还有模块化硬件源代码，可与行业标准接口进行组合，支持更加轻松地构建特定于应用的解决方案。无论是硬件、软件还是应用开发人员，都可以利用英特尔开放式 FPGA 堆栈奠定开发基础，从而腾出更多时间进行创新，打造差异化产品。
       FPGA chiplet 策略
       相亲FPGA平台内的芯片是英特尔采用独特方法打造而成，他们称这种独特功能为“定制逻辑连续体”。简单来说，它是一种三管齐下的方法，支持在整个产品生命周期内重复进行灵活优化。
      
       1.FPGA，可为客户设计提供更佳的产品上市优势和更高灵活性。
       2.ASIC，以更低的功耗和成本实现优异的硬件优化型性能。
       3.独特的eASIC 结构，可以有效平衡产品上市优势与性能和成本之间的关系。
       每个选项都可以利用一组通用 IP，因此开发人员可以从这三种强大功能中任选其一作为开端，根据需求变化随时在整个产品生命周期内迁移至其他选项。
       英特尔这种创新方法得益于chiplet技术，他们将多种制程技术、功能，甚至供应商集成到一种封装或一台设备中。借助这种异构架构，便可充分利用各种 FPGA chiplet 库，有助于快速开发和推出 FPGA 芯片。英特尔把这种架构称为“任意异构集成”，任何增值功能都可以集成到 FPGA 中。
       此前，英特尔之前发布的产品就已经透露出这种想法。Stratix 10 FPGA 系列和Agilex FPGA系列则是最好的例子。
      
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       Stratix 10对 DDR 内存、收发器速度和协议功能、高带宽内存、PCIe、UPI、DSP 甚至是 AI 张量块进行了不同的组合，推出了六种定制型Stratix 10 器件。随后英特尔发布了FPGA chiplet 策略的第二代产品——Agilex™ FPGA。从技术架构上，较之Stratix，Agilex集成度非常高。从性能角上，相比 Stratix 10，Agilex 采用英特尔 10 纳米 SuperFin 技术和改进的 FPGA Hyperflex 架构，其性能提升了高达 40%，功耗降低了40%。Agilex 还实现了收发器创新，数据速率是前代产品的两倍，并且支持 PCI Express* Gen 5 和 CXL。CXL 技术提供了业界首个面向英特尔至强处理器和英特尔傲腾内存的缓存和内存一致性互连。
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       2.ASIC — eASIC N5X
       此外，为了加速5G、人工智能、云端与边缘工作负载的应用性能，英特尔发布了全新可定制解决方案eASIC N5X。N5X 器件是英特尔首款结构化 ASIC，凝结了多项英特尔创新成果，比如 Agilex FPGA 的硬核处理器系统和安全特性。相比 ASIC，N5X 器件总体成本更低，因为它们可以加快产品上市速度并显著降低 NRE。该产品适用于各种工作负载，包括 5G 无线基站和无线电，以及云加速、存储、AI 推理处理和许多边缘应用。
       架构的创新表明了英特尔清晰的愿景，并且推行整体战略，以提供端到端数据平台。在计算基板内，他们并不认同一刀切式的方法，这无法以经济高效的方式解决扩展性能问题，于是英特尔将投资范围扩大到服务器 CPU 的标量架构之外。目前，英特尔正在投资并交付采用其GPU 的矢量架构、采用专用 AI ASIC 的矩阵架构和采用各种 FPGA 和 eASIC 产品组合的空间架构。       提升工程师体验是关键
       两款新产品的问市预示着英特尔正在加速帮助客户构建从云到网络再到边缘的以数据为中心的基础设施。这种基础设施用于更快速地移动数据，存储并处理更多的数据，从而释放数据的全部潜力。
       那么如何帮助客户充分利用 FPGA 技术和英特尔平台的灵活性能？据英特尔公司副总裁兼可编程解决方案事业部总经理 Dave Moore表示：除了硬件创新以外，我们也会重视开发人员的体验性。这里，英特尔Quartus Prime设计软件可以说是工程师的福音，Quartus Prime 是最主要的 FPGA 设计软件工具。它提供了功耗优化工具，并通过全面的设计套件帮助用户轻松提升工作负载性能。此外，英特尔利用多种策略缩短了编译时间，大大提高了Quartus Prime 工具开发效率。
      
       oneAPI
       说到设计体验，就不得不提一下英特尔近期发布的异构编程器OoneAPI。它的目的是提供统一的编程模型，简化 CPU、GPU 和 FPGA 的跨架构开发工作。简单来说，英特尔提出的oneAPI是一种统一的软件架构，它能够跨不同的架构、跨不同的厂商，包括除英特尔之外的其他硬件厂商。oneAPI可以从软件层面来简化和统一标量、矢量、矩阵和空间的不同硬件架构。
      
       英特尔三大利器加速5G网络转型
       在以数据为中心的 5G 时代，可编程技术将在核心、RAN 和边缘网络中发挥关键作用。FPGA 的可编程性允许用户适应不断变化的标准和全新应用。这为网络运营商提供了巨大优势，他们可以提升网络敏捷性、灵活性和可扩展性，从而快速开发创新型和增强型服务产品。但也在某些方面带来了一些挑战：
       首先，5G对软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）提出了更加迫切的需求。现有的网络基础设施可支撑千万人沟通，但不能支持实时沟通的数十亿物联网设备，这就需要运营商对网络进行虚拟化，构建更加灵活的网络基础设施。但是，软件解决方案并不能提供足够的网络可靠性和服务质量，而具有高级可编程功能SmartNIC，将在虚拟化网络中扮演非常重要的角色。
       FPGA 正在通过 SmartNIC 和存储提升下一代基础设施的性能，并通过企业中的一致性至强连接加速应用和分析处理。英特尔全新 FPGA SmartNIC C5000X平台将提供可编程的基础架构，有效地移动数据中心流量。
       除了网络加速外，以数据为中心的基础设施还必须存储大量数据，并能够快速访问数据，以提供快速实时的洞察。存储创新和效率至关重要，这有助于加速工作负载，使之在持久性和性能之间做出更好的权衡，同时降低总体拥有成本，并在推进近内存计算和存储加速方面提供新的机会。英特尔以167亿美元收购了Altera，将第一手的FPGA技术对至强处理器进行了改进后，使得计算性能提升了70%。据了解，集成了FPGA的Xeon的吞吐量提高了3.2倍。
      
       随着电信行业向 5G 的过渡，英特尔将网络基础设施视为关键跳板。得益于 5G 网络基础设施在全球的快速普及，2019 年电信细分市场占据 FPGA 行业的最大份额。如前所述，5G 拥有更丰富的应用和用例。多样化的 5G 用例将网络虚拟化从核心、RAN 扩展到网络边缘。例如，结合使用传统 4G 前传标准和不断演变的全新5G前传标准（例如eCPRI/ORAN）可发挥FPGA最大优势。比如，灵活的前传配置对于平衡高级5G应用的延迟、吞吐量和可靠性要求不可或缺。在这方面，英特尔提供了包括FPGA、eASIC和ASIC在内的一系列自定义逻辑产品组合。
       对于网络运营商来说，他们始终致力于优化总体成本和运营支出。借助英特尔定制逻辑连续体平台，客户可以利用常见的IP，从FPGA迁移至eASIC或ASIC。
       英特尔数据平台事业部副总裁兼云和企业加速部门总经理 Manish Muthal表示：“FPGA 在启用与加速独立异构计算基础设施的过程中发挥着独特作用。”为此，英特尔开始在整个基础设施和应用加速中充分发挥 FPGA 的重要价值，他们的战略将围绕 3 大关键因素而构建：
       1.客户至上
       2.平台方法
       3.合作伙伴生态系统。
       据了解，英特尔投资 Smart NIC 平台的战略将创建由独立硬件和软件开发人员（IHV 和 ISV）构成的合作伙伴生态系统，以便将英特尔 Smart NIC 产品推广到更广泛的客户群体。
      
       可见，通过架构的创新，新品的研发，英特尔FPGA在发挥着独特的作用，不仅能够通过 Smart NIC 和计算内存和存储加速基础设施，还能加速 AI 和大数据分析等应用。得益于FPGA 通用、可重新配置架构的特点，加之英特尔以客户为导向的路线图投资战略和中心的理念，在不断加深合作伙伴关系的同时，继续推出有助于加速数据中心创新的创新型 FPGA 解决方案。
      补充资料：英特尔收购eASIC公司
       英特尔公司2015年华为167亿美元巨资收购了Altera公司，后者不仅是英特尔代工业务的客户，还是全球最大的FPGA芯片厂商，此后Altera变成了英特尔的可编程阵列部门。如今FPGA芯片已经变成了英特尔的重点业务之一，将在未来的云服务、数据中心等市场发挥重要作用。为了进一步扩展FPGA业务，英特尔收购了eASIC公司。
      
       与CPU相比，不论是FPGA还是ASIC芯片都跟普通消费者的距离有点远，这两种芯片都不是面向消费级市场的，主要是给企业市场使用的。FPGA是现场可编程逻辑门阵列芯片，内部通常有成百上千万个可编程逻辑模块，属于半定制芯片，而ASIC是一种专用集成电路，功能单一但又专一，这两年因为矿机的缘故，很多人都知道了比特大陆这家公司，他们的矿机芯片就是ASIC，专门用于比特币算法，性能强但用途单一，除了挖矿别的也干不了。
       英特尔拥有地球上最好的CPU业务，CPU通用性强，什么都能做，但在特定的运算上性能、效率肯定不是不如专用芯片的，所以收购了Altera，现在又收购了eASIC，后者的120名员工将加入英特尔公司的可编程解决方案部门，这次收购将进一步加强英特尔芯片的可定制性，缩短上市时间，满足客户对功能、性能、成本、功耗及产品周期的多样化需求。
       根据英特尔官方所说，收购eASIC之后他们可以构建一种新的可编程芯片，通过英特尔的EMIB嵌入式多芯片桥接封装技术将英特尔的FPGA芯片、ASIC芯片封装在一起。